关于双向DTV安全解决方案的设计与实现

引言

随着数字电视网络双向化改造的快速发展，传统单向广播网络环境下的条件接收体系已不能适应于新的双向网络环境和业务模式。为进一步推进数字电视产业的快速发展，迫切需要研发出适应于双向DTV网络环境和业务模式的安全解决方案，满足数字电视双向DTV业务的运营需求和安全需求。

在双向DTV网络环境中，内容发布者和终端用户之间存在两条传输信道，一条传输信道是传统的单向广播HFC信道，另一条是数字电视网络双向化改造后增加的双向IP信道，如图1所示。双向DTV的业务实现中，节目内容打包成MPEG TS流以广播方式发送给终端用户，终端用户与内容提供者之间通过IP通道完成认证授权及许可证申请。

本文基于数字版权管理（DRM）技术提出了一种双向DTV安全解决方案，可以实现对双向DTV数字内容端到端的安全传输和存储，并能实现对数字内容权限的使用控制。

图1 双向DTV网络结构

DRM简介

DRM技术可以实现对数字内容进行描述、识别、保护、监控和跟踪，以达到在数字内容知识产权的整个生命周期内对其进行保护，可以实现对数字内容端到端的安全传输和存储，并能实现对数字内容权限的使用控制。

实现DRM主要有两类技术：一类是数字水印技术，另一类是数据加密技术。数字水印技术尚不成熟，并且只能在发现盗版后用于取证或追踪，不能在事前防止盗版。以数据加密为核心的DRM 技术，核心思想是把数字内容进行加密，只有授权用户才能得到内容解密的密钥。

当前国内外多数公司和研究结构的DRM系统都采用基于数据加密的技术。本文也基于数据加密技术，结合数字签名和证书认证等技术，提出了一种有效地双向DTV业务的版权保护安全解决方案，可以实现对双向DTV业务数字内容的管理控制和版权保护。

解决方案

本文提出的双向DTV DRM安全解决方案，结合证书认证系统（PKI/CA），通过为终端设备和前端服务器签发数字证书，并使用数字证书标识和认证系统中各实体身份，在运营商和用户之间，以及用户与用户之间建立可信的信任体系；并设计实现多层密钥体系，使用非对称密码算法进行身份认证、内容密钥的安全分发和协商，使用对称密码算法把数字内容加密为媒体文件密文，并通过直播、点播等业务模式，分发给终端用户，并控制保障数字内容在终端的合理使用。

系统结构

本文提出的双向DTV DRM安全方案的系统架构如图2所示：

图2  双向DTV DRM系统架构

本文提出的双向DTV DRM安全方案由下列模块组成：

证书中心(CA)：为前端授权管理系统和终端签发数字证书，建立基于PKI的信任体系；终端和授权管理系统通过证书交换和密钥协商完成双向身份认证和安全通道建立；

授权管理系统：为终端生成许可证，并认证终端的身份，并为终端安全授权；

密码管理系统：生成各种密钥，并实现内容加密；对于直播内容在线实时加密；对于点播内容，实现离线预加密；

DRM代理：设备中的可信实体，实施对内容的许可和限制，控制内容使用。严格按照权限对数字内容进行操作；

内容分发服务器：存储并管理加密的数字内容，并按照不同业务模式分发内容；

密钥体系

本文提出的双向DTV DRM安全解决方案结合PKI非对称密码体系，建立了多层密钥体系。

密钥体系的最上面两层是设备公私钥对和用户密钥。对于诸如机顶盒的终端设备，在初始化时生成公私钥对，私钥在终端安全存储，公钥通过安全通道送到前端CA中心申请终端证书，这样服务端就维护着终端的设备公钥或证书。在为用户分发智能卡时需要初始化智能卡，并在智能卡内写入用户密钥或域密钥，并且服务端也维护用户密钥/域密钥和智能卡的对应关系。

对于直接加密内容的密钥，根据内容类型的不同，采用不同的密钥体系：

当数据内容是TS流或流文件时，密钥方案采用类CAS的实时加扰的密钥体系：首先使用控制字(CW)加扰内容，再使用业务密钥(SK)加密传输CW，加密的CW和节目控制数据被封装在ECM中，随内容数据一起广播。业务密钥被用户密钥（PK）/域密钥（DK）加密，可以封装在EMM中广播下发，或者通过双向IP信道端对端下发，如图3所示。

图3  流媒体的密钥体系

对于非TS流数据，如图像、动画数据等，本方案采用对称密钥加密的密钥体系，使用内容加密密钥（CEK）直接加密内容数据，内容加密密钥被封装在权限对象中使用用户密钥（PK）/域密钥（DK）加密，通过双向IP通道端对端下发，如图4所示。

图4  非流媒体的密钥体系

数据封装

本方案针对不同的内容类型，采用不同的数据加密及封装方式。对于TS流媒体内容，逐个TS报文加密，并只加密TS报文负荷的184字节，并且直接与其它TS流复用进行广播分发；对于非TS流文件（如动画、图片内容），应连续加密，打包成TS流循环广播。

业务流程

文本提出的双向DTV DRM安全方案可以支持直播、点播等多种业务模式。不同的业务模式，具体的业务流程不同；对于直播业务，加密方式和业务流程皆类似于传统的单向网络下的电视广播业务，其中数字内容实时加扰，加扰控制字CW加密封装在ECM中，业务密钥加密封装EMM中，加扰的数字内容和ECM、EMM一起广播分发。当然，EMM也可通过双向IP网络在线分发。

本文以点播业务为例，简单说明业务的处理流程：

数字内容在密码管理系统被预加密，同时把加密密钥发送给授权管理系统生成权限许可证，并把加密的数字内容发送给内容分发服务器；用户在终端点播数字内容时，首先向授权管理系统请求此数字内容的权限许可证。此时需要对终端和授权管理系统进行双向身份认证，并协商会话密钥，以建立双方的安全连接；授权管理系统通过连接保护向终端下发点播内容的授权许可证，同时要求内容分发服务器向终端广播所点播内容；终端DRM代理验证授权许可证有效性，严格按照许可证中的权限许可和限制对内容进行操作，为用户提供服务。 作者：齐齐志峰 王蜀洪 韩鹏一   来源：DVBCN数字电视中文网